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Industrielles
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen dampfgekühlten Brenner für eine Gasturbine.
Genauer gesagt, betrifft sie eine Konstruktion zur Dampfkühlung der
Außenwandplatten
des Brenners, die sehr heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt sind.
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Technischer
Hintergrund
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Eine
effektive Art zum Verbessern des Wärmewirkungsgrads einer Gasturbine
besteht in einer Erhöhung
der Temperatur am Gaseinlass der Turbine. Es ist auch wünschenswert,
eine erhöhte NOx-Emission aus dem Brenner zu unterdrücken, der Verbrennungsgase
an die Turbine liefert, und die Wärmebeständigkeit der Turbine sowie
ihre Kühlkapazität zu verbessern.
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Da
der Brenner einer Temperatur von 1500 bis 2000°C ausgesetzt ist, muss er geeignet
gekühlt werden,
damit die Temperatur seiner Außenwandplatten
im zulässigen
Bereich verbleibt, wenn er einer Wärmebelastung unterliegt.
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Im
Allgemeinen werden Brenner in Gasturbinen dadurch gekühlt, dass
zur Verbrennung zu verwendende Luft entlang ihren Innenwandplatten strömt und Luft
in diese Wandplatten gedrückt
wird, um die Metallkomponenten zu kühlen, damit ihre Temperatur
niedriger als die der Verbrennungsgase ist.
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Wenn
jedoch Luft zum Kühlen
einer Gasturbine verwendet wird, werden die zur Kühlung verwendete
Luft und die Luft, die aus den Kühlkanälen ausleckt,
in die Hauptgasströmung
ausgelassen. Diese Luft erschwert es, die Leistungsfähigkeit
der Gasturbine zu erhöhen
und die NOx-Emission zu senken.
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In
JP-A-727335 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Brennerwand mit
Kühlkanälen offenbart. Gemäß diesem
Verfahren wird eine wärmebeständige Metallplatte
an ihrer Seite entgegengesetzt zu der, an der sie einem Verbrennungsgas
ausgesetzt ist, mit Kanälen
versehen. Jeder Kanal wird durch ein Metallband abgedeckt, das auf
die wärmebeständige Metallplatte
aufgeschweißt
wird. Dieser Prozess ist schwierig und teuer in der Ausführung.
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Als
Alternative zur Verwendung von Luft als Kühlmedium wurde die Verwendung
von Wasser oder Brennstoff vorgeschlagen, sh. JP-A-8-261463 und
JP-A-8-270950.
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Eine
weitere Alternative besteht in der Verwendung von Dampf als Kühlmedium
für die Brennerwand,
wie es im Dokument JP-A-8-338633 offenbart ist, von dem der Oberbegriff
des Anspruchs 1 ausgeht. Dieses Dokument offenbart mehrere Alternativen
zum Einbau von Kühlkanälen in die Brennerwand.
In seinem Abschnitt zum Stand der Technik beschreibt es eine Anordnung ähnlich derjenigen,
wie sie in JP-A-727335 offenbart ist: eine Wandplatte, die an ihrer
Innenseite einem Verbrennungsgas ausgesetzt ist, ist an ihrer Außenseite
mit durch eine flache Platte abgedeckten Kühlkanälen versehen.
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Übrigens
wurde bereits durch JP-A-62-111131 Dampf als Kühlmedium für den hinteren Zylinder eines
Gasbrenners vorgeschlagen, wobei der Brenner selbst auf herkömmliche
Weise durch Luft gekühlt
wird.
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In
den letzten wenigen Jahren haben kombinierte Kraftwerke viel Publicity
erfahren. Diese Kraftwerke verwenden sowohl Gas- als auch Dampfturbinen,
um ihren Erzeugungswärmegrad
(d. h. ihren Wärmewirkungsgrad)
zu verbessern. Ein schematisches Diagramm eines kombinierten Kraftwerks
ist in der 6 dargestellt. Das Gasturbinen-Generatorsystem
verfügt über einen
Generator 40, einen Kompressor 41, einen Brenner 42 und
eine Gasturbine 43. An der Gasturbine ist ein Dampfturbinen-Generatorsystem
installiert, das über
einen Heißwasserkessel 45,
eine Dampfturbine 46, an deren Abtriebswelle 46a der
Generator 40 angebracht ist, und einen Dampfkondensator 47 verfügt. Die
Abgase der Gasturbine 43 werden in den Heißwasserbehälter 45 eingespeist.
Das vom Dampfkondensator 47 zugeführte Heißwasserbehälter-Wasser wird erwärmt und
verdampft, und dieser Dampf wird als Antriebsquelle für die Dampfturbine 46 verwendet.
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Bei
dieser Art eines kombinierten Kraftwerks besteht eine sehr hohe
Dampferzeugung, die leicht angezapft werden kann, und Dampf verfügt über eine höhere Wärmekapazität zum Transportieren
von Wärme
als Luft. In jüngerer
Zeit untersuchten Ingenieure die Verwendung von Dampf anstelle von
Luft als Kühlmedium
für diejenigen
Teile einer Turbine, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Wenn
jedoch der Dampf, der zum Kühlen
der heißen
Teile der Turbine in einem kombinierten Kraftwerk verwendet wurde,
in die Hauptgasströmung
ausgelassen wird, fällt deren
Temperatur, und der Wärmewirkungsgrad
der Turbine nimmt ab. Aus diesem Grund wurde es vorgeschlagen, dass
der zur Kühlung
verwendete Dampf vollständig
rückgewonnen
werden sollte und als Hochdruck-Antriebsdampf für die Dampfturbine verwendet
werden sollte.
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Die 6 veranschaulicht,
wie dieses Verfahren zur Dampfkühlung
arbeiten soll. Wie es durch die gestrichelten Linien in der Zeichnung
angedeutet ist, wird der im Abwärme-Rückgewinnungsboiler 45 erzeugte
Dampf entnommen und den heißen
Teilen des Brenners in anderen Gebieten der Turbine, die gekühlt werden
müssen,
zugeführt.
Der gesamte zur Kühlung
verwendete Dampf wird dann zurückgewonnen
und als Antriebsdampf für
die Dampfturbine 46 verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht es,
eine Gasturbine 43 mit einer Temperatur an ihrem Gaseinlassstutzen
von über
1500°C zu
realisieren, und es ist auch der Gesamtwirkungsgrad des kombinierten Kraftwerks
verbessert.
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Obwohl
der Verwendung von Dampf anstelle von Luft als Kühlmedium im Brenner einer Gasturbine
viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ist es schwierig, Dampfkühlkanäle in einer
Brennerwand, die über
komplizierte Formen verfügt,
insbesondere durch herkömmliche
Laser- oder Elektrofunkenbearbeitung zu erzeugen.
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Zur
Dampfkühlung
sollte, wie oben dargelegt, Hochdruckdampf als Kühlmedium verwendet werden.
Dies erfordert eine ausreichend starke Konstruktion zum Bilden der
Dampfkanäle.
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Auch
müssen
eine Dampfzuführeinrichtung und
eine Dampfrückgewinnungseinrichtung
um den Brenner herum vorhanden sein. Es ist auch wesentlich, kein
Auslecken von Dampf aus dem Dampfsystem zu ermöglichen. Jedoch ist es aus
Konstruktionsgründen
nicht einfach, alle diese Erfordernisse zu erfüllen. Dies erschwerte es, einen
derartigen dampfgekühlten
Brenner für
den tatsächlichen
Markt herzustellen.
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Selbstverständlich ist
es nicht praxisgerecht, für
einen dampfgekühlten
Brenner dieselbe Konstruktion und dasselbe Konzept zu verwenden,
wie sie für
einen luftgekühlten
Brenner verwendet werden, da dadurch die Erfordernisse für einen
dampfgekühlten
Brenner nicht erfüllt
werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Daher
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen dampfgekühlten Gasturbinenbrenner
mit einfacher Konstruktion zu schaffen, der beständig ist und zuverlässig gegen
ein Auslecken von Kühldampf
hohen Drucks abgedichtet ist.
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Diese
Aufgabe ist durch einen Brenner gelöst, wie er im Anspruch 1 dargelegt
ist. Die Unteransprüche
sind auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Um
die o. g. Aufgabe zu lösen,
ist der Gasturbinenbrenner, der Hochdruckdampf als Kühlmedium
verwendet (dampfgekühlter
Gasturbinenbrenner) mit einer Gasbrennerwand versehen, die über wandmontierte
Kühlkanäle verfügt. Diese
Wand ist extrem heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt, so dass sie mit einer Außenwandplatte,
die mit mehreren Kühlkanälen versehen
ist, und einer wärmebeständigen und dauerhaften
Platte konfiguriert ist, die durch Löten oder ein anderes Verfahren
an die Außenwandplatte angebaut
ist. Ein Ende der Kühlkanäle ist mit
einem Zuführtrakt
zum Zuführen
des Kühldampfs
verbunden, und das andere derselben ist mit einem Rückgewinnungstrakt
zum Rückgewinnen
des Kühldampfs versehen.
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Bei
einer derartigen Konfiguration sind der Zuführtrakt und der Rückgewinnungstrakt über die Kühlkanäle miteinander
verbunden, und der Kühldampf
wird vom Zuführtrakt
durch die Kühlkanäle und zum
Rückgewinnungstrakt
eingeleitet.
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Wenn
die Brennerwand tatsächlich
aus Metallplatten besteht, ist es einfach, sie für eine beliebige Art komplexer
Formen durch Pressbearbeiten herzustellen. Zusätzlich zu diesem Vorteil kann
die Brennerwand dadurch stark ausgebildet werden, dass die wärmebeständige, dünne Platte
an die Außenwandplatte
gelötet
wird, entlang der sich viele Kühlkanäle erstrecken.
Diese Konfiguration ermöglicht
es, den Hochdruck-Kühldampf
in die Kühlkanäle zu leiten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Schnittansicht eines Kühlkanals
für einen
Gasturbinenbrenner, bei dem es sich um eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung handelt.
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2 zeigt
einen Querschnitt einer dampfgekühlten
Wandplatte im Brenner einer Gasturbine entlang einer Linie A-A in
der 1. Sie zeigt die Konstruktion für die Kühlwandplatte,
die den Dampf vom Zuführtrakt
durch die Kühlkanäle zum Rückgewinnungstrakt
leitet.
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3 ist
eine perspektivische Zeichnung der Kühlwandplatte, bei der es sich
um eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung handelt. Diese Zeichnung kombiniert die in den 1 und 2 dargestellten
Merkmale.
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4 ist
eine detaillierte Zeichnung des in den 1 und 2 dargestellten
Zuführtrakts,
wobei es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt.
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5 skizziert
einen Gasturbinenbrenner, der eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist.
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6 zeigt,
wie Dampfkühlung
in einem kombinierten Kraftwerk angewandt werden kann, indem eine
Gasturbine mit einer Dampfturbine kombiniert ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In
diesem Abschnitt erfolgt eine detaillierte Erläuterung mehrerer bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
dem Umfang, in dem Abmessungen, Materialien, die Form und die Relativposition
der bei dieser Ausführungsform
beschriebenen Komponenten nicht definitiv festgelegt sind, ist der
Schutzumfang der Erfindung nicht auf die spezifizierten Werte eingeschränkt, die
lediglich als veranschaulichende Beispiele dienen sollen.
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In
einer Gasturbinenanlage sind mehrere Brenner der bereits beschriebenen
Art, mit einer Brenndüse 51 auf
der Gaseinlassseite einer Brennkammer 50, wie es in der 5 dargestellt
ist, und einer Abgasleitung 52 auf der Gasauslassseite,
innerhalb eines zylindrischen Mantels (nicht dargestellt) vorhanden.
Der Mantel wird unter Verwendung von Druckluft von einem Kompressor
unter Druck gesetzt. Diese Brenner sind um den Umfang des Mantels
herum angeordnet. Die in der Kammer 50 erzeugten Verbrennungsgase
werden durch die Abgasleitung 52 an die Turbine geleitet
und dazu verwendet, sie anzutreiben.
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Wie
es aus der 5 erkennbar ist, verfügt der Brenner,
bei dem es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt,
an der Umfangsfläche
der Brennkammer 50 über
einen ringförmigen
Zuführtrakt 4 an
der Gasauslass-oder der Gaseinlassseite der Kammer. Der Trakt verfügt über eine
Umfangswandplatte, deren Querschnitt entweder halbkreisförmig oder
rechteckig ist. An der Umfangsfläche
der Brennkammer 50 existiert ein Rückgewinnungstrakt 5 desselben
Designs, der sich auf der Gaseinlass- oder der Gasauslassseite der
Kammer befindet. In der 6 wird der durch den Abwärme-Rückgewinnungsboiler 45 erzeugte
Dampf als Energie verwendet, die die Dampfturbine 46 antreibt. Andererseits
wird der durch diesen Boiler 45 entnommene Dampf durch
Leitungen 4a zu Zuführtrakten 4 geleitet.
Der Rückgewinnungstrakt 5 führt eine
Rückgewinnung
des Dampfs aus, nachdem dieser die Kühlkanäle 2 durchlaufen hat
und die Brennkammer 50 gekühlt hat, und er transportiert
den rückgewonnenen
Dampf über
eine Rückgewinnungsleitung 5a zum
Einlass der Dampfturbine 46.
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Es
ist nicht immer erforderlich, einen Zuführtrakt für jeden Rückgewinnungstrakt anzubringen. Abhängig von
den Abmessungen des Brenners können
mehrere Paare von Zuführ-
und Rückgewinnungstrakten
vorhanden sein, oder es kann ein Zuführtrakt oder ein Rückgewinnungstrakt
mehreren Rückgewinnungstrakten
bzw. mehreren Zuführtrakten
zugeordnet sein, wobei jeder mit den Kühlkanälen verbunden ist.
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Als
Nächstes
erfolgt unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine
detaillierte Erläuterung
der Konfiguration der Kühlwandplatten
zwischen dem Zuführtrakt 4 und
dem Rückgewinnungstrakt 5.
In der Außenwandplatte 1 der
Wand des Brenners ist eine Anzahl von Kanälen 2 für den Kühldampf
parallel zueinander an der Innenfläche (der Unterseite) der Wandplatte
verlegt. An die Unterseite, über
die sich diese Kanäle
erstrecken, ist eine getrennte, dünne wärmebeständige Platte 3 angelötet. Die
Verbrennungsgase, die durch den weißen Pfeil repräsentiert sind,
strömen
unter der Platte 3.
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An
der Fläche
der Außenwandplatte 1 sind um
den Umfang der Kammer herum zahlreiche Durchgangslöcher 6 vorhanden.
Diese Löcher
befinden sich an denjenigen Stellen, an denen der Zuführtrakt 4 und
der Rückgewinnungstrakt 5 an
den beiden Enden der Kanäle 2 montiert
sind. Die Löcher 6 können mit
einem Zickzackmuster nach links und rechts gestaffelt sein, wie
es in der 4 dargestellt ist, oder sie
können
in einer Reihe angeordnet sein, wie es in der 3 dargestellt
ist.
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In
der 4 ist eine Detailansicht des Zuführtrakts 4 dargestellt.
Der Zuführtrakt
wird dadurch hergestellt, dass ein kanalförmiges Teil am den Durchgangslöchern 6 zugewandten
Ort an der Wandplatte 1 befestigt wird. Der Dampf zum Kühlen der
Kammer wird durch die Leitung 4a, die die Kanäle am korrekten
Ort speist, von einer Quelle wie dem Rückgewinnungsboiler 45 parallel
zur Gasturbine 43 zugeführt.
Dieser Dampf strömt
durch das Durchgangsloch 6 in der Außenwandplatte 1, und
er wird an die zwischen der Wandplatte 1 und der Platte 3 vorhandenen
Kanäle 2 geliefert,
wie es in der 4 durch die durchgezogenen Pfeile
dargestellt ist.
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Es
erfolgt keine detaillierte Beschreibung zum Rückgewinnungstrakt 5,
der identisch wie der Zuführtrakt 4 konfiguriert
ist.
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Vorzugsweise
bestehen die Außenwandplatte 1 und
die Platte 3, die die dampfgekühlte Wand bilden, aus Hastelloy
X und tomilloy (beides sind registrierte Handelsbezeichnungen).
Die Außenwandplatte 1 kann
3,0 bis 5,0 mm dick sein, und die an die Wandplatte gelötete Platte 3 sollte
0,8 bis 1,6 mm dick sein.
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Bei
dieser Ausführungsform
verfügt
dann die Brennerwand über
zwei Platten (Außenwandplatte 1 und
Platte 3), die zwischen ihnen verlaufende, dichtgeschlossene
Kanäle 2 aufweisen.
Diese Kanäle 2 verbinden
den Trakt 4, der den Kühldampf
liefert, und den Rückgewinnungstrakt 5.
Wenn der über
den Trakt 4 zugeführte
Dampf durch die Kanäle 2 in
der Außenwandplatte 1 strömt, kühlt er die
Wandplatte. Der Dampf wird dann über
den Trakt 5 rückgewonnen.
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Gemäß der Ausführungsform
wird der gesamte zugeführte
Kühldampf
rückgewonnen,
und es leckt kein Kühldampf
aus dem System aus, was bei einem Dampfkühlungssystem ein erforderliches Merkmal
ist. Dieses Erfordernis wird bei der oben beschriebenen Konfiguration
erfüllt.
Dies verbessert die Kapazität
der Gasturbine 43 und verringert deren NOx-Emission.
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Vorstehend
wurde die Erfindung unter Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform
erörtert;
jedoch ist die Erfindung nicht alleine auf diese Ausführungsform
eingeschränkt.
Selbstverständlich können an
der tatsächlichen
Konfiguration verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden, solange
innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche verblieben wird.
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Wirkungen
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Brennerwand tatsächlich aus Metallplatten hergestellt.
Daher ist es einfach die Wand durch Pressarbeiten für jede beliebige
Art komplizierter Formen herzustellen.
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Zusätzlich zu
diesem Vorteil erlaubt es die größere Wärmebeständigkeit
der Turbine, Dampf als unter Druck stehendes Kühlmedium zu verwenden. Bei
der Erfindung sind alle Erfordernisse für ein Dampfkühlsystem
erfüllt,
und es ist die Kapazität
der Gasturbine verbessert, und deren NOx-Emission
ist verringert, so dass insgesamt zu einem erhöhten Wirkungsgrad des Kraftwerks
beigetragen ist.